大学物理物质世界的结构层次课件

同学们好！1大学物理同学们好！1大学物理一、物质世界的空间尺度——宇宙的42个台阶宇宙学、粒子物理的奇妙衔接第二章物质世界的结构层次2大学物理一、物质世界的空间尺度——宇宙的42个台阶宇宙学、粒子物理的胀观:

1040m

~1016亿光年实物物质微观：<10-7m,

原子、分子、基本粒子，波粒二象性，服从统计规律。

量子力学描述。宏观：>10-7m，各种凝聚态，显示粒子性，服从因果规律。牛顿力学描述。渺观：10-35m介观：性质上介于微观与宏观宇观:

天体物理3大学物理胀观:1040m~1016亿光年实物物质微观：<10-二、宇宙中物体的质量量级——跨跃了约80个数量级科学的基本原理之一：万物都是由难以观察到的微小粒子组成的。自然界的奥秘何在？4大学物理二、宇宙中物体的质量量级——跨跃了约80个数量级科学三、物质世界的时间尺度大爆炸宇宙年龄：130~200亿年星系形成：50亿年地球年龄:地球5大学物理三、物质世界的时间尺度大爆炸宇宙年龄：星系形成：50亿年地大气形成:热电离层对流层中间层平流层外大气层臭氧层生命的诞生：约40亿年脊椎动物：约6亿年人类出现年6大学物理大气形成:热电离层对流层中间层平流层外大气层臭氧层生命的诞生生物的进化7大学物理生物的进化7大学物理地球公转月球公转地球自转中子寿命百米跑10s市电周期介子寿命中间玻色子寿命共计跨越了42个数量级8大学物理地球公转月球公转地球自转中子寿命百米跑10s市电周期第一节基本粒子及其相互作用要点：三大家族、四种相互作用基本粒子特征：质量、电荷、自旋、寿命……基本粒子：人类迄今为止尚未发现其内部结构的“点”粒子，是一个不断向更深层次转移的动态概念。标准模型：1964年美国盖尔曼提出，1969年斯坦福直线加速器中心电子——核子撞击实验首次验证，获当年诺贝尔物理奖。9大学物理第一节基本粒子及其相互作用要点：三大家族、四种相互作光子（20世纪20年代）——传递电磁相互作用中间玻色子(3种)（20世纪70~80年代）

——传递弱作用胶子(8种)（已有实验基础）

——传递强作用引力子（尚未发现）——传递引力作用1.规范粒子：场粒子，传递相互作用的媒介,共13种。一、基本粒子分类分类：三大家族10大学物理光子（20世纪20年代）——传递电磁相互作用1.规范粒子

规范粒子名称符号静质量MeV电荷e自旋寿命s传递的相互作用光子中间玻色子胶子引力子??00000011121引力电磁弱强玻色子11大学物理规范粒子名称符号静质量电荷自旋寿命s传递的光子中间胶子引2.轻子：不参与强相互作用的基本粒子,共3代12种。电子µ子名称符号静质量MeV电荷e自旋寿命s代电子中微子µ子中微子

子

子中微子一二三0.51106*1776.9000-1-1-1费米子

*：北京正负电子对撞机测量结果轻子必定以粒子——反粒子对的形式产生或湮灭。总的轻子数(轻子数减去反轻子数)在已知的一切过程中保持不变。

12大学物理2.轻子：电子µ子名称符号静质量电荷自旋寿命反粒子的发现1930年狄拉克预言其存在；1932年安得森在宇宙射线实验中发现正电子。铅板粒子从何方穿入？粒子带何种电荷？由径迹算出荷质比与电子相同1999年6月3日，美国肯尼迪航天中心“发现者”号航天飞机搭载中国科学家参加研制的阿尔法磁谱仪(AMS)升空，寻找宇宙空间的暗物质和反物质(反碳核和反氦核)。13大学物理反粒子的发现1930年狄拉克预言其存在；铅板粒子从何方穿入？中微子之谜1930年泡利为解释衰变中能量不守恒，提出假设：1933年费米建立弱作用理论。1942年王淦昌提出间接验证方案，由美国艾伦完成。1956年美国雷尼斯完成探测中微子实验，获1995年诺贝尔物理奖。1999年日本科学家宣布测量到中微子质量不为零。尚存许多未解之谜，应用前景广阔（地球断层扫描，中微子通信，探测星球内部信息……）14大学物理中微子之谜1930年泡利为解释衰变中能量3.夸克:组成参与强相互作用的强子，3代、6味、每味3色，共36种。名称符号静质量MeV电荷e自旋代一二三上夸克粲夸克奇异夸克顶夸克底夸克下夸克udcstb≈300≈300≈500≈1500≈180000≈5000费米子15大学物理3.夸克:名称符号静质量电荷自旋代一二三上夸克粲夸克奇异1964年盖尔曼：1974年丁肇中：1977年莱德曼：1995年费米实验室：特点：分数电荷1977年超导铌球实验渐近自由

红外奴役

色禁闭（找不到自由夸克）16大学物理1964年盖尔曼：特点：分数电荷基本粒子规范粒子13种轻子12种夸克36种玻色子(引力子？)费米子希格斯粒子（?）62种强子(核子、介子)的夸克模型名称符号符号组成组成名称质子中子反质子正介子正K介子J/介子pnJ/17大学物理基本粒子规范粒子13种轻子12种夸克36种玻色子(引力子？)物质结构层次实物分子原子原子核质子夸克电子（轻子）规范粒子场中子物质存在的基本形式——实物和场18大学物理物质结构层次实物分子原子原子核质子夸克电子（轻子）规范粒子场19大学物理19大学物理2)与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；如电磁场，引力场，核场等。3)场也与实物一样具有质量、能量、动量和角动量；4)与实物一样，在场内进行的物理过程也遵循质量守恒、能量守恒、动量守恒和角动量守恒等规律；5)与实物一样，场也不能创生、不难消灭，只能由一种形式转变为另一种形式。“场”与实物的比较共同点：1)都是客观存在的,不以人的意志为转移;是可知的，能够为人们的意识所反映。20大学物理2)与实物的多样性一样，场的存在形式也是多样的；“场”与实联系--实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互作用，场和实物可以相互转化。现代物理认为，场是更基本的，粒子只是场处于激发态的表现。区别：1)

实物质量密度大(≈1000kg/m3),场质量密度很小(≈10-23kg/m3)，无静止质量；2)

实物不能达到光速，场则以光速传播；3)

实物受力产生加速度，场则不能被加速；4)

实物具有不可入性，以空间间断形式存在，可以作参考系；场具有可入性，以连续形式存在，具有可叠加性，不能作为参考系。21大学物理联系--实物周围存在相关的场，场传递实物间的相互粒子和场的相互关系1)每种粒子都有相对应的场。2)某种场能量最低的状态称为该场的基态，不显示直接的物理效应。3)场处于激发态时，表现为相应的粒子。4)当所有的场都处于基态时，表现为物理上的真空。5)无论是处于基态的场，还是处于激发态的场，都与其他的场相互作用。22大学物理粒子和场的相互关系1)每种粒子都有相对应的场。2种类引力弱力电磁力强力作用对象所有粒子大多数粒子带电粒子强子作用距离cm<<相对强度(cm处)传递作用的基本粒子引力子？中间玻色子光子胶子1迄今为止，人类了解得最多的是电磁力，了解得最早但最少的是引力。二、基本相互作用1.四种基本相互作用23大学物理种类引力弱力电磁力强力作用对象所有粒子大多数粒子带电粒子强子物理理论的发展趋向统一天体引力地球引力牛顿爱因斯坦经典力学相对论力学电磁光弱力麦克斯韦电动力学强力格拉肖萨拉姆温泊格规范场弱电统一理论设想的大统一理论设想的超对称大统一理论2.相互作用的统一理论由质子衰变实验预言，设想强、弱电统一，其实是想统一夸克、轻子间的关系，希望将它们统一成一个家族。即把玻色子和费米子统一成相互关联的粒子，提出亚夸克模型。24大学物理物理理论的发展趋向统一天体引力地球引力牛顿爱因斯坦经典第二节物态及相变一、物质聚集态宏观客体都是由为数众多的微观粒子聚集而成，大量粒子在一定温度、压力等外界条件下聚集而成的稳定结构状态叫做物质的聚集态，简称物态。气态，液态，液晶＊，固态，晶体＊，等离子态，“超”态，反物质态。研究物质结构：微观层次——粒子物理宏观层次——凝聚态物理pT25大学物理第二节物态及相变一、物质聚集态宏观客体都物态条件结构性质对称性气态液态固态热运动动能>>分子相互作用势能热运动动能≈分子相互作用势能热运动动能<<分子间相互作用势能完全无序“近程有序”（暂时、局部）非晶体：短程有序晶体：长程有序无外场时自动趋向稳定、均匀的平衡态，无一定形状、体积流动性，有一定体积，无一定形状各向同性晶面角守恒各向异性有确定熔点最高降低再降低26大学物理物态条件结构性质对称性气态液态固27大学物理27大学物理固态可分为晶态和非晶态

晶态——晶态的固体称为晶体，组成晶体的粒子在三维空间呈周期性、规则排列的长程有序状态。如金属、石英等。石英晶体的晶面角守恒ab:ca:bc:abcaaaabbbbcccc28大学物理固态可分为晶态和非晶态晶态——晶态的固体称为晶非晶体：晶格被破坏的固体；被“冻结”的无序结构——“过冷”液体。(a)石英晶体(b)石英玻璃非晶态——又称为玻璃态，其粒子的排列呈近程有序、长程无序的状态。如玻璃、塑料、玛瑙等。等离子态：正离子和电子组成的状态。

“超”态：超导、超流、金属氢态、中子态等。

反物质：理论依其对称性推测自然界必然存在反粒子组成的反物质。

真空态：现代物理观点设想真空中可以不断地发生正反粒子对的虚产生和湮没——一种状态。29大学物理非晶体：晶格被破坏的固体；被“冻结”的无序结构——“过冷”液二、相和相变1)相——指物质系统内成分相同、结构相同、性能相同的均匀部分，不同相之间有明确的分界面。不同的物态肯定是不同的相，但同一物态却可能有几种相。如水的气相、液相、固相；铁晶体在固态下不同的温度时却有

铁、

铁、

铁三个不同的相。2)相变——在一定条件下，同一物质不同相之间的相互转变。如：水蒸气

水

冰100C0C1atm1atm30大学物理二、相和相变1)相——指物质系统内成分相同、结构相体积突变，并伴随热量的吸收或释放的相变。相应的热量叫潜热。(一级相变、结构相变)凡体积不变,不伴随热量的吸收或释放的相变，只有某些物理量（如热容、热膨胀系数等）发生突变的相变。(二级相变、特性相变)如无外磁场时导体正常态和超导态间的变化；磁介质在居里温度时的顺磁相和铁磁相间的变化。如熔化和凝固，汽化和液化，升华和凝华，

-Fe

-Fe

-Fe，等。相变第一类相变第二类相变31大学物理体积突变，并伴随热量的吸收或释放的相变。相应的热量叫潜热。(例：1911年，昂纳斯实验发现在4.2K处,Hg从常导状态突变为超导态。4.2K称为临界温度。024681012